JPH01216413A - アクテイブ減衰制御方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電アクチュエータを変位発生手段に使用す
るアクティブ減衰制御方法及びその装置に関するもので
ある。

（従来技術〕 構造体に外乱が作用すると固有振動が生じる。

このとき、構造体の減衰が大きいほど変位振幅は小さく
、パルス状の外乱に対しては振動の継続時間も短（なる
。しかるに構造体の減衰能力には限界があるため、アク
チュエータを用いて能動的に減衰特性を改善する方法が
考えられるようになってきた。

例えばロボットアームではアームの先端に加速度検出部
を取付け、そこから得られる速度信号に基づいてアーム
根元部のアクチュエータを駆動する方法が提案されてい
る。しかしながら、提案されている方法はいずれも物体
変位、速度、加速度を検出するもので、アクチュエータ
と振動検出部を別々に取付ける必要があり、装置が複雑
化するという問題があった。

また、こうした従来の方法は、検出器を取付けた点の振
動を制限しようとするもので、振動がいくつものモード
を持つフレキシブルロボットアームでは、検出器の取付
は点とモータの取付は点とが離れていることによる制御
の不安定が生ずることが多い。

そこで本発明者は、振動、特に外乱で起るような振動を
振動伝達系で減衰制御するアクティブ減衰制御手段につ
いて研究し、振動により伝達される交番力に対して位相
が９０°遅れた位相の制御振動を与えると効果的に振動
を減衰させること、そして交番力検出信号の位相に対し
９０°位相が遅れた変位を発生させる手段として、圧電
素子ディスクを積層した圧電アクチュエータを使用し、
交番力検出器の出力を時間に対し１階積分を加えて得ら
れる信号に基づき前記圧電アクチュエータの駆動電圧を
制御する方法を見出し、その制御手段及び装置の開発を
行っている。かかる制御装置の演算部では、交番力検出
部の出力電圧を積分回路に入力し、その出力に基づいて
圧電アクチュエータへの印加電圧を制御する構成として
いる。これは、圧電アクチュエータの伸縮量（変位量）
が圧電アクチュエータへの印加電圧に比例することを利
用したものである。

しかしながら、交番力検出ｆ言号を時間に関し１階積分
する方法は、制御系に積分器を必要とするが、広い周波
数帯域にわたって正解な積分値°を得ることは容易では
なく、温度変化の影響も受は易いという問題がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、以上の問題に着目して成されたものであり、
圧電アクチュエータから成る変位発生手段を使用し、積
分器を含まず、より簡単な構成の制御手段を用い、高い
制御精度で制御することができる高性能のアクティブ減
衰制御方法及びその制御装置を提供することを目的とし
ている。

〔課題を解決するための手段〕

以上の目的を達成するための本発明のアクティブ防振制
御方法の構成は、圧電アクチュエータから成る変位発生
手段と該変位発生手段に伝播する振動を検出する交番力
検出手段とを直列的に配置した減衰支持手段を用いて物
体を支持し、前記交番力検出手段が出力する交番力検出
信号に対応した電流を発生する電流制御手段を設け、前
記変位発生手段に与える電流を前記電流制御手段によっ
て得ることを特徴とするものである。

そして、前記制御方法を実施する好ましいアクティブ減
衰制御装置の構成は、圧電アクチュエータから成る変位
発生部と交番力検出部とを直列的に配置した減衰支持体
と、前記交番力検出部が出力する交番力検出信号に基づ
き前記減衰支持体を伝播する振動を減衰させる制御電気
量を前記変位発生部に供給する制御部とから成り、該制
御部は、前記交番力検出部が出力する交番力検出信号を
差動入力型パワーオペアンプに与え、該差動入力型パワ
ーオペアンプの出力を前記変位発生部に与える出力回路
に電流検出用抵抗を介装し、該抵抗の両端に生じる電圧
信号を差動増幅部に入力し、該差動増幅部の出力信号を
前記差動入力型パワーオペアンプのもう一方の入力端子
に与える電流制御回路を有することを特徴とするもので
ある。

前記圧電アクチュエータは、ジルコン、チタン酸鉛など
を用いた薄板状の圧電セラミックスを積層し、その両端
及び間に電極を配置し、好ましくは焼結して一体とした
積層型圧電アクチュエータを使用することができる。前
記圧電セラミックスは、支持する物体の自重、ばねなど
により圧縮力（予圧縮）を加えて使用することが好まし
い。

前記交番力検出手段は、圧電アクチュエータに伝播する
交番力を検出できるものであれば特に限定はないが、通
常は、交番力検出信号を電圧として取り出すことが容易
なひずみゲージ、圧電体による力センサ、前記圧電アク
チュエータと同様の圧電素子ディスクによるものなどで
ある。より周波数の高い振動の検出に対しては圧電素子
がより適しており、より静的な交番力に対してはひずみ
ゲージがより適している。

前記減衰支持体で物体を支持するには、変位発生部側、
交番力検出部側のいずれの側で支持するようにしてもよ
い。

圧電アクチュエータは一般に分極処理して使用するが、
この分極方向と反対方向に大きい電圧が印加されると分
極が消滅する危険がある。

これを防止するために、正（分極方向を正とする）の電
圧（バイアス電圧）を圧電アクチュエータに印加して使
用する。したがって、かかるバイアス電圧は、圧電アク
チュエータの伸縮量が小さい場合には必要ではない。し
かし、圧電アクチュエータの伸縮量が大きい場合には、
バイアス電圧が必要になる。ただし、本発明の電流制御
手段では加算部などの通常のバイアス電圧印加手段は、
電流制御に影響を与えるので適用することができない。

そこで、圧電アクチュエータの正負の電極の一方を電力
増幅部の出力端子に接続し、他方を正又は負のいずれか
一方の定電圧電源端子に結合する。こうすれば、加算部
を使用することなく、圧電アクチュエータにバイアス電
圧を印加することができる。

前記構成の複数の減衰支持手段で、例えば軸方向振動、
曲げ振動、ねじれ振動などが組み合された振動をする物
体を支持する際の制御回路は、前記定義のアクティブ減
衰制御手段をそれぞれ独立して使用することにより実施
することができる。したがって、前記定義の減衰支持手
段を複数使用しても制御系が複雑になることはない。

〔作　用〕

前記構成の制御手段は、圧電アクチュエータの伸縮量が
、該圧電アクチュエータに印加する電圧よりも、該圧電
アクチュエータに蓄積される電荷量に対して線形性が高
いことから、電荷量の微分量である電流量を直接制御す
ることにより、より精度の高いアクティブ減衰制御をす
ることができる。

更に、差動入力型パワーオペアンプを用いた前記構成の
電流制御回路は、通常入手できる素子を用い極めて簡単
な回路構成により、所定のアクティブ減衰制御を効果的
に行うことができる。

圧電アクチュエータは、電気的には容量性負荷であり、
しかもその伸縮量が該圧電アクチュエータに蓄積される
電荷量に比例するという性質を有している。このことは
、同時に前記伸縮量の微分量が、圧電アクチュエータを
流れる電流に比例することを意味する。本発明は、この
性質を利用したものである。

したがって、前記１階積分を用いた制御手段、即ち、交
番力検出部の出力電圧の積分量に基づいて圧電アクチュ
エータの伸縮量を制御することは、交番力検出部の出力
電圧自体に基づいて圧電アクチュエータに流れる電流を
制御することに等しいので、本発明方法は、前記１階積
分する手段と同様にアクティブ減衰制御を行うことがで
きる。

本発明は、前記１階積分手段と比較して以下のような特
徴がある。即ち、イ、積分回路を使用すると、演算回路
と増幅回路とを設ける必要があるなど回路構成が複雑に
なるが、電流制御回路は一つの電流制御型電力増幅回路
として作用させることができるので、より簡単な回路構
成にすることができる。口、積分器を用いる必要がない
ので精度をより向上させることができる。ハ、更に圧電
アクチュエータの伸縮量は、圧電アクチュエータへの印
加電圧よりも圧電アクチュエータに蓄積される電荷量に
対して線型性が高いことから、電荷の微分量である電流
量を直接制御した方がアクティブ減衰性能が向上するな
どである。

〔実施例１〕 ・以下添付の図面を対照して一実施例により本発明を具
体的に説明する。

第１図〜第７図によって本発明によるア′クチイブ減衰
制御方法及びその装置の概要を説明する。第１図は実施
例１に使用した減衰支持手段の概要を説明するための立
面図であり、第２図は実施例１に使用した制御回路のブ
ロック図である。

第１図に示すように減衰支持体１は、圧電セラミックス
により製作された複数の圧電素子ディスク２を積層して
形成した圧電アクチユエータ４から成る変位発生部と、
この圧電アクチュエータ４と同軸的、且つ直列的に配置
した交番力検出部を構成する交番力検出器６　（センサ
部）とを筒状のスタンド８内に振動自在に図のように収
容したものである。前記交番力検出器６は、ひずみゲー
ジ、圧電体による荷重センサあるいは前記圧電アクチュ
エータ４と同じ構成のものなど適宜選択して用いること
かできる。以上前記部材４．６．８によって本実施例の
減衰支持体ｌを構成する。

前記構成の減衰支持体１は、架台１０の上にねじ１２で
固定し、頂部に物体１４を保持している。即ち、本実施
例の圧電アクチュエータ４の前記予圧縮は物体の重量に
よって与えるようにしており、減衰支持体ｌは電流制御
回路１６によって制御するように構成した。

次に第２図によって電流制御回路１６の詳細を説明する
。

図において、交番力検出器６に交番力が作用すると、該
交番力検出器６から交番力検出信号Ｖｆが電流制御回路
１６に出力される。該電流制御回路１６では、まずプリ
アンプ１７によって電圧を周整した信号Ｖ１を差動入力
型パワーオペアンプ１８に与える。該パワーオペアンプ
Ｉ８には電流、検出回路２０を並列的に接続している。

該電流検出回路２０の入力回路２２には、抵抗２４を介
して圧電アクチュエータ４に接続する出力端子２８を接
続しており、抵抗２４には、圧電アクチュエータ４に出
力する差動入力型パワーオペアンプ１８の出力電流１ａ
によって電圧が発生し、この電圧を差動オペアンプから
成る差動増幅部２６に与え、増幅した信号電圧を差動入
力型パワーオペアンプ１８のもう一方の入力端子に与え
るものである。

この電流制御回路１６は、一つの電流制御型電力増幅器
と考えられ、出力電流は、抵抗２４の両端の電圧差とし
て検出され、その電圧差■２が交番力検出器６の交番力
出力信号Ｖｆをプリアンプ１７によって感度調整した制
御信号■１と等しくなるように制御される。出力端子２
８とＣＯＭ　（アース）端子３０に圧電アクチュエータ
４の２つの電極を接続することにより、圧電アクチュエ
ータ４には制御信号ｖ１に基づく電流１ａが流れ、圧電
アクチュエータ４が伸縮（変位）する。このとき圧電ア
クチュエータ４は交番力に対して９０°の位相遅れで伸
縮し、振動が減衰する。

以上の電流制御回路１６は、圧電アクチュエータ４の伸
縮量が小さく、バイアス電圧を印加しないで使用できる
場合に使用する回路である。

バイアス電圧の印加を必要とする場合について、第１図
に示す電流制御回路１６として第３図に示す制御回路を
使用した。第３図の制御回路は、プリアンプ１７、差動
入力型パワーオペアンプ１８、電流検出回路２０につい
ての構成は前記第１図と同様である。そして圧電アクチ
ュエータ４のプラス側電極に出力端子２８を接続し、マ
イナス極側に端子３１を接続する。

第３図は、端子３１に図示しないマイナス側の電源端子
を接続し、端子３１に所定のマイナスの電圧−Ｖを印加
することによりバイアス電圧を与える方法を示している
。これにより圧電アクチュエータ４には図示しないＣＯ
Ｍ　（アース）端子と圧電アクチュエータ４のマイナス
電極に接続する端子３１間の電圧差がバイアス電圧とし
て付加され、圧電アクチュエータ４には、出力線子２８
から常に正の電圧が印加されることになる。したがって
、分極が消滅することなく、常に伸縮量と電荷量との間
の線形性が保たれる。

なお、制御信号を反転するか、電流検出回路２０の正負
を反転することにより、圧電アクチュエータ４の正負２
つの電極を、プラス電源端子と出力端子にそれぞれ結合
することにより同様の効果を得ることができる。

〔実施例２〕 次に第４〜７図に基づき音響ホログラフィ装置のマイク
ロホン移動装置に通用した実施例２を説明する。実施例
２は、並列配置した２系列のアクティブ減衰支持手段を
用いた減衰支持装置を使用した場合について例示するも
のである。

即ち、第４図はアクティブ減衰支持体の構造を説明する
ための平面図、第５図は第４図のＶ−Ｖ線断面図、第６
図はマイクロホン移動装置の概要説明図、第７図は電流
制御回路の概要図である。図に示す２系列の減衰支持手
段のそれぞれの圧電アクチュエータ４１．４２からなる
変位発生部及び交番力検出部を構成する交番力検出器６
１，６□は、いずれも実施例１に使用したと同様の圧電
セラミックスの積層体から成るものを使用している。

そして、圧電アクチュエータ４１．４２と交番力検出器
６１．６２を、それぞれ歯のように同軸上、且つ直列的
に互いに対応させて配置して２系列とした減衰支持体３
４１．３４２を、並列、且つ離間して配置し、圧電アク
チュエータ４１．４２と、交番力検出！５６１．６２の
間には共通の変形しない中間板３６を配置し、上坂３８
と中間板３６、下板４０と中間板３６とを、それぞれの
中央位置に配した異なる結合ポル１−４２．４４で結合
して一体とした減衰支持装置１′を用いている。

前記接合ポル）４２．４４は、減衰支持装置１′を一体
に組立ると共に、前記圧電アクチュエータ４（以下誤解
のおそれのない場合にはサフィックツス１．２を省略記
載する）及び交番力検出器６のそれぞれを構成する圧電
セラミックスに圧縮力（予圧縮）を与える働きをしてい
る。実施例１と異なり、圧電アクチュエータ４と交番力
検出器６とを別々に予圧縮する構成にすれば、圧電アク
チエエータの伸縮に伴う結合ボルト４２の変形反力は、
上板３８と中間板４０との間でつり合い力として打ち消
される。したがって、交番力検出器６は、この圧電アク
チュエータ４の伸縮により発生する反力の影響を受ける
ことなく減衰支持体３４１．３４２を伝播する交番力の
うち、結合ボルト４４を伝播する力を除いた力を検出で
きる。この検出される力と減衰支持装置１′を伝播する
力とは、通常線形関係にある。なお図において４５は取
付はボルト用のねし穴である。

このように予圧縮を別々に行う構成は、大きな予圧縮を
必要とする場合に通している。一方、引張力が小さく、
大きな予圧縮を必要としない場合には、圧電アクチュエ
ータ４の予圧縮手段である結合ボルト４２は剛性の低い
ものを使用することができる。この場合には結合ボルト
４２の変形反力が小さいことから、交番力検出部に圧電
セラミックス２の積層体を使用する場合でも共通の予圧
縮手段、つまり１本の結合ボルトで結合することができ
る。

前記減衰支持装置１′は、第６図に示すマイクロホン移
動装置４６に組付て使用した。図において、モータ４８
の回転軸５０に取付けたブランケット５２と、複数のマ
イクロホン５４を一列に取付けた帯板５６の根元部５８
との間に取付けている。

いま、モータ４８を起動してマイクロホン５４をステッ
プ状に高速で回転させると、帯板５６には図のような曲
げ振動Ｍが発生する。

この曲げ振動Ｍを減衰させる実施例２の電流制御回路は
、それぞれの減衰支持体３４＋、３４２に対し第３図と
同様な回路を使用し、これらを第７図に示すように互い
に独立した２系列の制御系を構成するようにして使用し
た。このように２系列の独立した電流制御回路１６．。

１６２で、一つの振動体の振動を別々に減衰制御するこ
とにより有効にアクティブ減衰制御を行うことができる
。なお当然、圧電アクチュエータ４の伸縮量が小さい場
合には第２図の回路を使用することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明のアクティブ防振制御方法及
びその装置は、圧電アクチュエータから成る変位発生手
段と該変位発生手段に伝播する振動を検出する交番力検
出手段とを直列的に配置した減衰支持手段を用いて物体
を支持し、前記交番力検出手段が出力する交番力検出信
号に対応した電流を発生する電流変換手段、好ましくは
差動人力型パワーオペアンプと出力側電流に対応した電
圧を出力する抵抗と差動オペアンプからなる電流検出手
段とを用いた電流制御手段を設け、前記変位発生手段に
与える電流を前記電流制御手段によって得る構成とした
ので、演算精度が高く、圧電アクチエエータの伸び量と
線形関係にある電荷量を間接的に制御するために減衰性
能を高めることができ、高周波帯域での電流制限が容易
であり、制御回路が簡素化されるという効果を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１に使用した制御装置の概要図、第２図
は第１図の制御部に設けた制御回路のブロク図、第３図
は実施例１に使用した制御回路の他のブロック図、第４
図は実施例２に使用したアクティブ減衰支持体の構造を
説明するための平面図、第５図は第４図のＶ−Ｖ線断面
図、第６図は実施例２の装置を適用したマイクロホン移
動装置の概要説明図、第７図は実施例２の電流制御回路
の概要図である。 ３・・・減衰支持体、４・・・変位発生部、６・・・交
番力検出部、１４・・・制御部、１８・・・差動入力型
パワーオペアンプ、２０・・・電流検出回路、２４・・
・抵抗、２日・・・差動オペアンプ。 第４図 節６図 第５図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧電アクチュエータから成る変位発生手段と該変位
   発生手段に伝播する振動を検出する交番力検出手段とを
   直列的に配置した減衰支持手段を用いて物体を支持し、
   前記交番力検出手段が出力する交番力検出信号に対応し
   た電流を発生する電流制御手段を設け、前記変位発生手
   段に与える電流を前記電流制御手段によって得ることを
   特徴とするアクティブ減衰制御方法。 ２、圧電アクチュエータから成る変位発生部と交番力検
   出部とを直列的に配置した減衰支持体と、前記交番力検
   出部が出力する交番力検出信号に基づき前記減衰支持体
   を伝播する振動を減衰させる制御電気量を前記変位発生
   部に供給する制御部とから成り、該制御部は、前記交番
   力検出部が出力する交番力検出信号を差動入力型パワー
   オペアンプに与え、該差動入力型パワーオペアンプの出
   力を前記変位発生部に与える出力回路に電流検出用抵抗
   を介装し、該抵抗の両端に生じる電圧信号を差動増幅部
   に入力し、該差動増幅部の出力信号を前記差動入力型パ
   ワーオペアンプのもう一方の入力端子に与える電流制御
   回路を有することを特徴とするアクティブ減衰制御装置
   。